弗吉尼亞櫟幼苗對高溫脅迫的生理響應

楊舒婷，曲 博，2，李謙盛，鄧 敏

(1.中國科學院 上海辰山植物研究中心/上海辰山植物園，上海 201602;2.上海應用技術學院 生態(tài)學院，上海 201418)

弗吉尼亞櫟(Quercus virginiana Mill)為殼斗科櫟屬常綠喬木，原產(chǎn)于美國東南部，因樹冠濃密寬大、容易栽培、幼樹生長速度快，在美國東南部城市森林和綠化中普遍栽培［1］。因其根系發(fā)達、樹干韌性強而抗風耐鹽，我國作為沿海防護林樹種引進后在長江三角洲沿海栽培示范適應性良好［2］。我國在研究推廣過程中重點對弗吉尼亞櫟的鹽脅迫生理［3-4］和干旱脅迫生理［5］進行了較多研究，而鮮有對弗吉尼亞櫟溫度脅迫生理的研究報道。溫度是影響植物生長的重要環(huán)境因子，隨著全球氣候變暖，夏季極端高溫度數(shù)和天數(shù)都在上升，高溫脅迫也成為植物面臨的最主要的非生物脅迫之一［6］。樹木對高溫脅迫的耐受性和適應性是選擇園林樹種的重要依據(jù)之一。本研究通過人工氣候箱模擬高溫脅迫，對弗吉尼亞櫟幼苗葉片的含水量以及生物膜相關的幾個生理指標開展研究，探討其耐熱性能，旨在為其人工栽培繁殖及園林應用提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

種子于2012年11月采自上海辰山植物園內引種的弗吉尼亞櫟，選取籽粒飽滿、大小基本一致、無蟲孔的種子用0.5%的高錳酸鉀溶液消毒30 min后晾干，貯存于4℃種子保存箱。2012年12月20日播于32孔林木專用穴盤，基質為80%泥炭+20%珍珠巖的混合基質。2013年2月底開始出苗，4月中旬每穴施用2～4粒18N-6 P2O5-12K2O的控釋肥。7月中旬挑選長勢基本一致的幼苗作為試驗材料。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理 將供試植株從溫室轉入人工氣候箱，在25℃，光照12 h，黑暗12 h，70%濕度條件下培養(yǎng)7 d。選取長勢一致的植株，分為3組，一組作為對照(CK)，繼續(xù)置于25℃光照培養(yǎng)箱中生長，其余2組分別置于35℃和45℃光照培養(yǎng)箱中進行高溫脅迫處理12，24，48 h，處理過程中保證水分補給充足，各時長處理的1/5幼苗(各4盆)在每個時段的高溫處理結束后立即用于測定生理指標，剩余4/5幼苗分別在各處理結束后重新置于25℃、光照12 h、黑暗12 h下恢復生長12，24，48，72 h(各4盆)，用于取樣測定相關生理指標。取葉片測定生理指標后的植株仍保留于溫室內栽培觀察。以上試驗處理重復3次。

1.2.2 測定方法 葉片含水量的測定:取不同處理相同部位的葉片稱鮮質量M1，用信封裝好后放入80℃烘箱，烘至恒重，稱取干質量M2，每個處理3次重復。葉片含水量=(M1-M2)/M1×100%。電解質外滲率的測定:參考孫國勝等［7］的方法測定葉圓片相對電解質外滲率。丙二醛(MDA)的測定:采用硫代巴比妥酸法測定［8］。脯氨酸的測定:采用酸性茚三酮法測定［8］。

圖1 高溫脅迫對弗吉尼亞櫟葉片含水量的影響Fig.1 Effect of heat stresses on leaf water content of Quercus virginiana

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫及恢復生長對弗吉尼亞櫟幼苗葉片含水量的影響

弗吉尼亞櫟幼苗在高溫脅迫后，葉片含水量顯著下降，并且隨著脅迫時間的延長而遞減;在高溫處理48 h后，葉片含水量從59.42%分別降到了 56.05%(35 ℃)和 55.81%(45℃)，顯著低于對照組(CK)(圖1)。但相同處理時間下兩個脅迫溫度間的葉片含水量沒有顯著差異，說明35℃和45℃的脅迫處理對葉片含水量的影響基本一致。

將高溫脅迫處理后的植株置于25℃下恢復生長后，弗吉尼亞櫟植株的葉片含水量逐漸恢復(圖2)，經(jīng)過72 h的恢復生長后其葉片含水量基本可達到處理前水平。但經(jīng)過45℃高溫脅迫處理后的植株(圖2B)相比35℃相同時間處理的植株(圖2A)其葉片含水量的恢復能力稍弱一些，在恢復生長的這段時間里所測定的數(shù)值波動也相對較大。

圖2 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片含水量的變化Fig.2 Leaf water content change of Quercus virginiana at different treatment phase

圖3 不同溫度高溫脅迫處理對弗吉尼亞櫟葉片電解質外滲率的影響Fig.3 Effect of heat stress on the electrolyte leakage of Quercus virginiana leaves

2.2 高溫脅迫及恢復生長對弗吉尼亞櫟幼苗電解質外滲率的影響

高溫脅迫12 h后，葉片的電解質外滲率均顯著高于對照組(圖3)。隨著脅迫處理時間的延長，植株的電解質外滲率略有回落，但均維持顯著高于對照的水平，而35℃和45℃處理之間的電解質外滲率沒有顯著差異。

將高溫處理過的弗吉尼亞櫟植株置于25℃下進行恢復生長后，所有處理后的植株在恢復生長的72 h內電解質外滲率一直與脅迫處理后水平相近，沒有恢復(圖4)，表明高溫脅迫對弗吉尼亞櫟葉片電解質滲透率的傷害是不可逆的。

圖4 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片電解質外滲率的變化Fig.4 Change of the electrolyte leakage in Quercus virginiana at different treatment phase

2.3 高溫脅迫及恢復生長對弗吉尼亞櫟幼苗MDA含量的影響

高溫脅迫處理后葉片MDA含量均出現(xiàn)先升高后降低的變化，這可能是植株逐漸適應高溫環(huán)境過程中，激活抗氧化系統(tǒng)，清除掉了一些MDA(圖5)。但在35℃高溫處理后，MDA含量變化幅度相對較小，隨著處理時間延長逐漸升高，在脅迫處理24 h時 MDA 含量達到最高(0.046 μmol/g)，在48 h時又下降至對照組相近水平;而在45℃極端溫度脅迫下，葉片中的MDA含量在脅迫處理12 h就達到了一個很高的水平(0.082 μmol/g)，而后隨著處理時間增加，MDA含量又逐步下降到與對照組相當?shù)乃健?/p>

在恢復生長期，兩種溫度處理所表現(xiàn)出來的變化亦有所不同。35℃脅迫處理的植株中MDA含量在恢復生長過程中均逐步下降，其中35℃高溫脅迫處理12 h和48 h的植株在經(jīng)過72 h的恢復生長后，植株中的MDA含量與對照組相比沒有顯著性差異，而35℃高溫處理24 h的植株在經(jīng)過72 h的恢復生長后植株中的MDA含量仍顯著高于其他兩組，說明其恢復相對緩慢一些(圖6A)。45℃高溫脅迫處理12 h和24 h的植株在恢復生長過程中MDA含量的變化趨勢分別與35℃高溫脅迫處理12 h和24 h的處理組檢測結果相似(圖6B)。盡管經(jīng)過45℃，48 h的高溫脅迫后，植株出現(xiàn)了一定的適應性，MDA的含量較處理12 h和24 h的植株有所降低，但高溫脅迫處理48 h的植株在恢復生長12 h后其MDA含量才從處理后的0.034 μmol/g急升至0.094 μmol/g，隨后才回落恢復到與45℃脅迫處理24 h的植株相當?shù)暮浚f明45℃極端高溫處理后會引起MDA的大量積累，并有一定的延后性。

圖5 高溫脅迫處理對弗吉尼亞櫟葉片MDA含量的影響Fig.5 Effect of heat stress on MDA content in Quercus virginiana leaves

圖6 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片中MDA含量的變化Fig.6 Change of MDA in Quercus virginiana leaves at different treatment phase

2.4 高溫脅迫及恢復生長對弗吉尼亞櫟幼苗脯氨酸含量的影響

在高溫處理48 h內，弗吉尼亞櫟植株中的脯氨酸含量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并且脯氨酸含量的最高點均出現(xiàn)在處理24 h后，但45℃脅迫下植株中的脯氨酸含量和增幅均顯著高于35℃處理(圖7)。這表明45℃處理對弗吉尼亞櫟幼苗葉片傷害更大。

35℃脅迫處理后的植株中脯氨酸的含量在恢復生長過程中迅速降低(圖8A)，其變化趨勢基本與MDA含量的變化一致。而45℃脅迫處理12 h和24 h的植株中的脯氨酸含量在恢復生長的12 h仍在增加，在恢復生長72 h之后植株中的脯氨酸含量都基本上恢復到了處理前水平(圖8B)。

圖7高溫脅迫處理對弗吉尼亞櫟葉片脯氨酸含量的影響Fig.7 Effect of heat stress on proline content in Quercus virginiana leaves

圖8 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片中脯氨酸含量的變化Fig.8 Change of proline content in Quercus virginiana leaves at different treatment phase

3 討論與結論

植物體中的各種代謝活動都需要水分的參與，在不同環(huán)境的脅迫下植物體內的水分均會受到不同程度的影響，植物會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象［9］。植物在逆境脅迫下的水分含量變化在一定程度上也反應了植物體的生存狀態(tài)和抗逆性能。弗吉尼亞櫟幼苗的葉片含水量隨著脅迫處理時間的延長逐漸下降，但總體變化幅度較小。45℃脅迫下，幼嫩葉片邊緣出現(xiàn)了一定程度的脫水變焦。含水量在脅迫處理后較短時間內可基本恢復至處理前水平(圖2)。

細胞膜系統(tǒng)是植物在逆境脅迫條件下最主要的受害部位。植物在受到高溫脅迫時，葉表溫度上升，可能導致抗氧化酶活性降低［10］，自由基大量積累，進而導致膜脂過氧化水平增高，MDA含量增加，膜脂成分改變，不飽和指數(shù)下降，膜透性增大，相對電導率升高，膜結構和功能改變，從而引起一系列生理代謝變化［11］。弗吉尼亞櫟葉片的電解質外滲率在高溫脅迫12 h后即出現(xiàn)了不可逆的顯著上升，但并沒有隨脅迫時間延長而持續(xù)增加(圖4)，暗示了弗吉尼亞櫟幼苗葉片細胞膜可能通過一些自身的其他生理生化特征調節(jié)形成了較良好的熱穩(wěn)定性，從而防止了長時間的高溫脅迫對細胞膜的進一步破壞。45℃高溫處理組的弗吉尼亞櫟幼苗葉片中MDA含量和脯氨酸含量增加要顯著大于35℃處理組(圖5和圖7)，表明了脅迫溫度越高，膜脂過氧化水平越高，植株受脅迫的程度也相應加劇。但同時，我們也發(fā)現(xiàn)隨著脅迫時間的增加，在脅迫處理前中期(12～24 h)，MDA和脯氨酸含量基本呈現(xiàn)增長趨勢，但到48 h后均出現(xiàn)了一定程度降低，暗示植株可能通過自身生理代謝變化對高溫脅迫形成了一定的抗逆性，植株受脅迫程度得以緩和。經(jīng)脅迫處理后的植株經(jīng)過72 h的恢復生長后，除細胞液滲漏不可逆外，葉片水分可以有效恢復，MDA和脯氨酸含量均降低到接近處理前水平，進一步說明了弗吉尼亞櫟對高溫具有良好的適應性。此外，我們對不同實驗處理后的弗吉尼亞櫟幼苗在常規(guī)溫室下進行了2個月的栽培觀察，植株均沒有出現(xiàn)死亡，且基本恢復了正常生長，說明高溫脅迫處理并沒有對其造成致命傷害。

耐熱性好的植物經(jīng)過長期的歷史演化發(fā)展出了一系列形態(tài)結構、生理及生化特征，通過規(guī)避傷害和提高耐性兩大機制來實現(xiàn)自身在高溫逆境下的生存［6］。首先，弗吉尼亞櫟幼苗葉片較小，受空氣邊界層的阻力也小于大葉植物，因而在水分充足情況下面臨極端高溫時，通過加大蒸騰作用，更容易向周圍環(huán)境散發(fā)自身熱量;再則弗吉尼亞櫟的葉片表面具有較厚的蠟質和表皮毛［12］，可以減少高溫輻射造成的傷害［10］，從而為其應對逆境提供了較好的保護。

本研究通過對弗吉尼亞櫟幼苗在高溫脅迫下和恢復生長過程中葉片水分以及與細胞膜穩(wěn)定性相關生理指標的測定，證實了弗吉尼亞櫟能通過自身的耐熱機制抵御高溫脅迫對其造成的傷害。弗吉尼亞櫟對高溫脅迫有良好耐受性和適應性的探明，是其除抗風［2］、耐鹽［3，4］、耐旱［5］等優(yōu)良特性外的又一重要優(yōu)良生理特性，這將為弗吉尼亞櫟作為一種優(yōu)良的園林和防護林樹種的進一步推廣應用提供有力的理論支撐。

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